CN112880830B - 拉曼单窗口快速成像系统及成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种拉曼单窗口快速成像系统及成像方法，该系统包括：激光器、激光窄带滤光片、激光功率衰减模块、第一透镜、显微物镜、扫描振镜模块、边带滤光片、共聚焦针孔、低通滤光片、第一带通滤光片、第一APD探测器、第二带通滤光片以及第二APD探测器。本发明能实现拉曼弱信号的快速检测；通过保证振镜高速扫描与APD拉曼检测同步，能实现样品的快速大面积成像；通过两路APD探测器模块，结合信号提取算法有效解决了背景噪音信号和拉曼生物背景信号干扰的问题；省去了光栅、CCD阵列探测器、高精度自动平移台等昂贵的元器件，采用相对便宜的滤光片、APD探测器、扫描振镜替代，在节省系统成本的基础上，获得了更优化的性能。

Description

拉曼单窗口快速成像系统及成像方法
技术领域
本发明涉及拉曼光谱成像技术领域，特别涉及一种拉曼单窗口快速成像系统及成像方法。
背景技术
拉曼光谱技术是一种快速、无损、非接触的分子光谱检测技术，通过对特定激发波长下化合物的拉曼散射谱线分析，可以直接获悉化合物分子的结构信息。该检测技术可在无需进行荧光染色标记的情况下对样品进行分析，有着快速、无损、准确的优势。
然而，拉曼散射发生的机率极小，通常109个激发光子与样品作用后会产生一个拉曼光子，因此拉曼检测为弱信号检测。目前的拉曼检测系统，多采用光栅分光结合CCD阵列探测器的方法对拉曼信号进行读取。但受限于光栅固有的低衍射效率以及CCD阵列探测器的低量子效率，此技术有光栅分光后拉曼信号减弱，以及CCD阵列探测器信号采集时间长、检测速度慢等缺点。此外，拉曼样品通常在微米级尺寸上具有空间异质性，目前的拉曼检测设备多采用显微镜结合自动平移台的方式，通过对样品的逐点扫描来进行拉曼成像。受限于自动平移台的移动速度，以及每两次移动之间的反馈和响应时间，整个成像过程耗时长、效率低。因此，如何设计出一套简单实用的拉曼系统，通过提升检测灵敏度实现对拉曼弱信号的快速检测；通过提高扫描样品的速度并配合探测器的同步信号读取，从而实现对样品的大范围快速成像，成为拉曼成像领域亟需解决的一个难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种拉曼单窗口快速成像系统及成像方法。本发明采用APD探测模块与高速扫描振镜模块相结合的方式，配合信号提取算法，从根本上解决了现有拉曼检测系统中信号采集效率低、成像速度慢的技术难题，实现了对拉曼目标信号的快速检测和对样品的大面积快速成像。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种拉曼单窗口快速成像系统，包括：激光器、激光窄带滤光片、激光功率衰减模块、第一透镜、显微物镜、扫描振镜模块、边带滤光片、共聚焦针孔、低通滤光片、第一带通滤光片、第一APD探测器、第二带通滤光片以及第二APD探测器；
所述激光器发出的激光经过所述激光窄带滤光片、激光功率衰减模块后到达所述边带滤光片，然后被反射至所述扫描振镜模块形成高速扫描激光，高速扫描激光经所述第一透镜准直后由所述显微物镜聚焦至样品上；
样品产生的拉曼散射光和瑞利散射光被所述显微物镜收集，再经所述第一透镜、扫描振镜模块后回到所述边带滤光片；
其中的拉曼散射光透过所述边带滤光片后再经所述共聚焦针孔到达所述低通滤光片，其中部分拉曼散射光被所述低通滤光片反射，然后经过所述第一带通滤光片，到达所述第一APD探测器；另外一部分拉曼散射光透过所述低通滤光片后再经过所述第二带通滤光片，到达所述第二APD探测器，；
其中的瑞利散射光一部分被所述边带滤光片阻挡，剩余部分透过所述边带滤光片后随拉曼散射光一起到达所述第一带通滤光片、第二带通滤光片后被阻挡。
优选的是，该拉曼单窗口快速成像系统还包括沿光路依次设置在所述激光功率衰减模块和边带滤光片之间的第一反射镜、第二透镜、第二反射镜，所述激光功率衰减模块出射的激光经所述第一反射镜反射后再经过所述第二透镜，然后由所述第二反射镜反射至所述边带滤光片。
优选的是，所述激光功率衰减模块具有若干不同衰减等级的中性滤光片，用于将入射激光衰减为多种能量等级的激光输出。
优选的是，该拉曼单窗口快速成像系统的成像方法包括以下步骤：
1)在样品检测开始之前，所述第一APD探测器和第二APD探测器先读取空白区域的背景噪音信号，分别记为S1、S2；
2)检测样品，所述第一APD探测器和第二APD探测器进行多次采样，读取样品被光源激发后的拉曼信号，分别记为SL1n、SL2n；
3)对于上述SL1n、SL2n分别按照以下公式(1)进行降噪处理，得到降噪后的拉曼信号SL1x、SL2x：
Figure BDA0002904333230000031
其中，n为采样个数，i和j为循环计数，Ii、Ij表示原始拉曼信号，即每次采样的SL1n或SL2n的原始值，Ix为降噪处理后的拉曼信号；
4)通过以下公式(2)计算得到扣背景的拉曼信号SR1、SR2，其中，SR1为拉曼目标信号和拉曼生物背景信号之和，SR2为拉曼生物背景信号；
SR1＝SL1x-S1，
SR2＝SL2x-S2； (2)；
5)通过以下公式(3)获得扣除拉曼生物背景信号的纯净的拉曼目标信号St，作为最终的结果输出；
St＝SR1-SR2 (3)。
本发明的有益效果是：
1、本发明能实现拉曼弱信号的快速检测：本发明采用滤光片代替光栅分光，避免由光栅衍射分光造成的拉曼信号损失；本发明由高灵敏度APD探测器代替CCD阵列式探测器，提升了信号检测端的量子效率；本发明中目标信号经滤光片分光后由高灵敏度APD探测器收集，能保证拉曼信号强度，缩短采集时间，实现样品拉曼弱信号的快速检测。
2、本发明通过保证振镜高速扫描与APD拉曼检测同步，能实现样品的快速大面积成像：本发明采用高速扫描振镜替代高精度自动平移台，可实现亚微秒级别的快速扫描；本发明通过振镜控制系统与APD探测器的信号读取控制单元紧密结合，实现APD探测器模拟数据采集和振镜扫描的硬件同步，保证扫描光斑与信号采集的同步进行，能实现对拉曼信号的快速同步检测和对样品的亚微秒级快速大面积成像。
3、本发明通过两路APD探测器模块，结合信号提取算法有效解决了背景噪音信号和拉曼生物背景信号干扰的问题：本发明利用两路APD探测器分别对目标拉曼信号和拉曼生物背景信号进行读取，再通过信号提取算法对所测信号进行背景噪音矫正、时间相关降噪、拉曼生物背景信号扣除，能得到纯净的拉曼信号；本发明的信号提取算法有效改善了拉曼光路中普遍存在的噪音和生物背景信号干扰问题，提升系统的检测灵敏度，实现了对拉曼信号的低噪音、高灵敏度快速采集。
4、本发明省去了光栅、CCD阵列探测器、高精度自动平移台等昂贵的元器件，采用相对便宜的滤光片、APD探测器、扫描振镜替代，在节省系统成本的基础上，获得了更优化的性能和指标。
附图说明
图1为本发明的拉曼单窗口快速成像系统的结构示意图；
图2为双振镜X-Y扫描机构示意图；
图3为激光光斑的扫描过程示意图；
图4为实施例2中的本发明的拉曼系统与传统拉曼系统成像效果的比较示意图；
图5为实施例2中的拉曼目标信号和拉曼生物背景信号选取波长范围示意图。
附图标记说明：
1—激光器；2—激光窄带滤光片；3—激光功率衰减模块；4—第一反射镜；5—第二透镜；6—第二反射镜；7—边带滤光片；8—扫描振镜模块；9—第一透镜；10—显微物镜；11—样品；12—共聚焦针孔；13—低通滤光片；14—第一带通滤光片；15—第二带通滤光片；16—第一APD探测器；17—第二APD探测器。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
实施例1
如图1所示，本实施例的一种拉曼单窗口快速成像系统，包括：激光器1、激光窄带滤光片2、激光功率衰减模块3、第一透镜9、显微物镜10、扫描振镜模块8、边带滤光片7、共聚焦针孔12、低通滤光片13、第一带通滤光片14、第一APD探测器16、第二带通滤光片15以及第二APD探测器17；
激光器1发出的激光经过激光窄带滤光片2、激光功率衰减模块3后到达边带滤光片7，然后被反射至扫描振镜模块8形成扫描激光，扫描激光经第一透镜9准直后由显微物镜10聚焦至样品11上；
样品11产生的拉曼散射光和瑞利散射光被显微物镜10收集，再经第一透镜9、扫描振镜模块8后回到边带滤光片7；
其中的拉曼散射光透过边带滤光片7后再经共聚焦针孔12到达低通滤光片13，其中部分拉曼散射光被低通滤光片13反射，然后经过第一带通滤光片14，到达第一APD探测器16；另外一部分拉曼散射光透过低通滤光片13后再经过第二带通滤光片15，到达第二APD探测器17，；
其中的瑞利散射光一部分被边带滤光片7阻挡，剩余部分透过边带滤光片7后随拉曼散射光一起到达第一带通滤光片14、第二带通滤光片15后被阻挡。
其中，激光器1可选473nm、488nm、514nm、532nm、633nm、660nm、785nm、1064nm等波长的激光器，激光窄带滤光片2与激光器1配合进行选择。例如在一种实施例中，选用532nm波长激光器1作为激光光源，选用与532nm波长相匹配的激光窄带滤光片2，以消除激发光中的杂线。
通过机械组件及运动控制，引入激光功率衰减模块3来调控激光能量。在一种优选的实施例中，激光功率衰减模块3具有若干不同衰减等级的中性滤光片，用于将入射激光衰减为多种能量等级的激光输出。进一步的实施例中，激光功率衰减模块3为具有6位转轮的激光功率衰减模块3，转轮上安装6种不同衰减等级的中性滤光片，将入射激光衰减为多种能量等级来适应不同受检样品11，达到激光引入显微镜前其能量灵活可调的目的。
在一种优选的实施例中，该拉曼单窗口快速成像系统还包括沿光路依次设置在激光功率衰减模块3和边带滤光片7之间的第一反射镜4、第二透镜5、第二反射镜6，激光功率衰减模块3出射的激光经第一反射镜4反射后再经过第二透镜5，然后由第二反射镜6反射至边带滤光片7。第一反射镜4、第二透镜5、第二反射镜6用于折返光路，以实现光学系统设计的紧凑性。
其中，本实施例中，通过扫描振镜模块8替代了传统方案中采样的自动平移台，可实现在x、y两个维度上激光光线的亚微秒级快速扫描。
其中，边带滤光片7用于反射激光光线，使其进入显微物镜10，同时阻挡来自样品11的瑞利散射信号、透射来自样品11的拉曼信号。本系统的共聚焦针孔12采用共聚焦精密针孔滤波技术，能最大程度抑制非聚焦平面的杂散光，保证APD探测器接收到的信号全部来源于光斑焦点处的受激发样品11。为避免传统光栅分光和CCD阵列探测器带来的拉曼信号减弱以及采谱速度慢的问题，本系统引入了两路APD探测模块(第一APD探测器16与第一带通滤光片14，第二APD探测器17与第二带通滤光片15)及与之配合的滤光片(低通滤光片13、带通滤光片)，以实现弱信号的高灵敏度检测。
在一种实施例中，该拉曼单窗口快速成像系统的工作过程为：
激光器1发出的激光经过激光窄带滤光片2消除激光杂线后，由激光功率衰减模块3调至所需激光能量强度，然后经第一反射镜4反射、第二透镜5准直、第二反射镜6反射到达边带滤光片7，然后被反射至扫描振镜模块8形成高速扫描激光，高速扫描激光经第一透镜9准直后由显微物镜10聚焦至样品11上；
样品11产生的拉曼散射光和瑞利散射光被显微物镜10收集，再经第一透镜9、扫描振镜模块8后回到边带滤光片7，此时拉曼散射信号可透过，瑞利散射信号被大部分阻挡；具体的：
其中的拉曼散射光透过边带滤光片7后再经共聚焦针孔12空间滤波后到达低通滤光片13，其中部分拉曼散射光(长波长的拉曼散射光)被低通滤光片13反射，然后经过第一带通滤光片14，到达第一APD探测器16；另外一部分拉曼散射光(短波长的拉曼散射光)透过低通滤光片13后再经过第二带通滤光片15，到达第二APD探测器17；
其中的瑞利散射光一部分被边带滤光片7阻挡，剩余部分透过边带滤光片7后随拉曼散射光一起到达第一带通滤光片14、第二带通滤光片15后被阻挡。即第一带通滤光片14、第二带通滤光片15起到对边带滤光片7的补充作用，对透过边带滤光片7的残余瑞利散射信号进行进一步的滤除，减少瑞利散射对本系统拉曼弱信号检测的干扰。系统需根据激发激光波长、样品11的拉曼目标信号波长对第一带通滤光片14、第二带通滤光片15的参数进行选择。
其中，第一APD探测器16读取第一带通滤光片14带通波长范围内的拉曼目标信号和拉曼生物背景信号，第二APD探测器17读取第二带通滤光片15带通波长范围内的拉曼生物背景信号。最后配合成像方法中的信号提取算法，扣除第二APD探测器17读取结果中的拉曼生物背景信号，可得到纯净的拉曼目标信号。
其中，在检测过程中，扫描振镜模块8替代了自动平移台，由于振镜模块中两块振镜在X-Y方向摆角的变化，可形成亚微秒级快速扫动的激光光斑，实现对样品11不同位置的密集点阵扫描激发。系统通过对振镜模块中两块振镜摆动角度的控制，以及对第一APD探测器16和第二APD探测器17的同步快速触发，能实现APD数据采集和振镜驱动硬件的高度同步，保证在亚微秒级别速度下对样品11目标拉曼信号的快速、大范围、高灵敏度采集，从而实现对样品11的大面积快速成像。
振镜是一种精度与重复性极高的光学扫描元件，在一种实施例中，其结构如图2所示。振镜控制系统承担振镜控制信号的生成，并和APD的信号读取控制系统紧密结合，实现数据采集和振镜驱动的硬件同步。控制系统由ARM与FPGA两大核心组成，ARM系统在整个设计中承担用户界面的实现、计算波形数据并写入FPGA、设定采样信号参数并写入FPGA的功能。FPGA模块实现DDS信号发生器功能和采样控制信号生成功能。DAC负责将FPGA输出的数字信号转换为控制振镜运动的模拟电压信号来控制振镜的转动角度。在本发明的双振镜系统中，x振镜与y振镜分别安装在z轴方向与x轴方向。激光经过a镜面的旋转可以实现x方向的扫描，经b镜面的旋转可以实现y方向的扫描，因此通过控制x振镜和y振镜的旋转，可在亚微秒速度上实现激光光束对xOy平面显微视场的二维扫描，其中e是x轴与y轴反射镜之间的距离。振镜的扫描角度与xOy平面上的点存在映射的关系，为实现对显微视场的遍历，需要对振镜系统提供扫描驱动信号。本实施例中的扫描过程为图3，即激光光斑以往复横向运动的方式遍历扫描视场。对应的驱动信号为(假设X扫描振镜为横向扫描，Y扫描振镜为纵向扫描)：X轴驱动信号为锯齿波，Y周驱动信号为阶梯波。每一个锯齿波对应了阶梯波的一个阶梯。振镜扫描控制单元与APD探测器的信号读取控制单元紧密结合，确保APD探测器模拟数据采集和振镜扫描的硬件同步，使扫描光斑与信号采集的同步进行，以及保证后续扫描显微图像重建所需要的数据的准确性，实现对拉曼信号的快速同步检测和对样品11的亚微秒级高速大面积成像。
本实施例中，该拉曼单窗口快速成像系统采用雪崩光电二极管APD作为拉曼信号探测器。APD探测器首先将光信号转换为电信号，再通过雪崩倍增效应来放大光电信号以提高弱信号探测能力，因此具有超低噪音、高速、高灵敏度等特点。本系统选取APD探测器替代目前拉曼检测系统常用的CCD阵列式探测器实现对弱信号的雪崩倍增，提高了系统的检测灵敏度。此外，通过采用两路APD探测器的设计，实现一路APD检测拉曼目标信号和拉曼生物背景信号，另一路APD检测拉曼生物背景信号，再通过信号提取算法扣除拉曼生物背景信号和背景噪音信号，从而可减少生物背景信号和背景噪音信号的干扰、增强系统探测微弱信号的能力。该系统采用边带滤光片7对瑞利散射进行初步滤除，再结合低通滤光片13与第一带通滤光片14、第二带通滤光片15进一步滤除瑞利散射，同时对目标拉曼信号进行分光，在功能上替代了目前拉曼检测系统中的光栅，减少了拉曼信号因光栅衍射造成的损耗，提高了系统的光信号传输效率。因此，本实施例的拉曼单窗口快速成像系统可实现对拉曼信号进行低噪音、高灵敏度的快速采集，实现样品11的快速检测。
在一种优选的实施例中，该拉曼单窗口快速成像系统的成像方法包括以下步骤：
1)在样品11检测开始之前，第一APD探测器16和第二APD探测器17先读取空白区域的背景噪音信号，分别记为S1、S2；
2)检测样品11，第一APD探测器16和第二APD探测器17进行多次采样，读取样品11被光源激发后的拉曼信号，分别记为SL1n、SL2n；
3)对于上述SL1n、SL2n分别按照以下公式(1)进行降噪处理，得到降噪后的拉曼信号SL1x、SL2x：
Figure BDA0002904333230000091
其中，n为采样个数，i和j为循环计数，Ii、Ij表示原始拉曼信号，即每次采样的SL1n或SL2n的原始值，Ix为降噪处理后的拉曼信号；由于噪音信号具有时间随机性，而拉曼信号不随时间变化，此系统还在数据处理端加入了时间相关降噪算以进一步减小噪音干扰，提升拉曼检测的灵敏度；
4)通过以下背景噪声矫正算法公式(2)计算得到扣背景的拉曼信号SR1、SR2，其中，SR1为拉曼目标信号和拉曼生物背景信号之和，SR2为拉曼生物背景信号；
SR1＝SL1x-S1，
SR2＝SL2x-S2； (2)；
5)通过以下拉曼生物背景信号扣除算法公式(3)获得扣除拉曼生物背景信号的纯净的拉曼目标信号St，作为最终的结果输出；
St＝SR1-SR2 (3)。
本实施例的拉曼单窗口快速成像系统所设计的高灵敏度APD模块结合同步高速扫描振镜模块8以及成像方法中的信号提取算法(降噪算法)，可实现对拉曼信号进行低噪音、高灵敏度的快速采集，从而实现对样品11的快速大面积拉曼成像。
实施例2
本实施例中，以该拉曼单窗口快速成像系统检测活细胞中拉曼碳-氘(C-D)键拉曼峰强度为例，对本发明进行进一步说明，并体现该系统通过检测拉曼目标信号实现对样品11的快速大面积成像的方案。
检测前，将细胞置于氘水中培养，氘元素D会随着新陈代谢过程进入细胞内，部分替换掉细胞内原有的C-H键形成C-D键。通过APD检测C-D键拉曼峰的强度，可间接判断细胞摄入氘水的量，从而反映细胞代谢活性的高低。高速扫描振镜结合APD检测，可实现对大视野范围内C-D信号的快速扫描成像；再结合信号降噪算法进一步降低噪音干扰，提升拉曼检测灵敏度，从而快速反映视野内不同代谢活性细胞的空间分布。
在对细胞样品11进行拉曼检测的过程中，由于扫描振镜摆角的变化，激光焦点在显微视场内进行逐点扫描，并通过APD同步读取信号进行快速大面积成像，成像速度比目前拉曼系统(光栅结合CCD阵列探测器)快10000倍，如图4。具体检测过程为：
系统中激光器1可选473nm、488nm、514nm、532nm、633nm、660nm、785nm、1064等波长的激光器，本实施例中选用532nm波长的激光器1举例说明。对应于532nm的激发光，细胞的拉曼目标信号(C-D拉曼信号)的波长范围为596nm-607nm，拉曼生物背景信号的波长范围可选588nm-596nm范围，第二带通滤光片15可选590/10nm(中心波长590nm，585-595nm范围内光学透过率大于90％)，由第二APD探测器17读取585-595nm范围内的拉曼生物背景信号；第一带通滤光片14可选600/20nm(中心波长600nm，590-610nm范围内光学透过率大于90％)，由第一APD探测器16读取588-610nm范围内的C-D拉曼信号和该区域的拉曼生物背景信号(如图5，为拉曼目标信号和拉曼生物背景信号选取波长范围示意图，其中，标号1是第二带通滤光片15的光谱，带通区间对应585-595nm范围；标号2是第一带通滤光片14的光谱，带通区间对应590-610范围；标号3是被氘水标记后细胞的光谱)。通过振镜移动光斑，实现0.2ms/pixel推扫整个目标视场区域，通过振镜与APD探测器的同步控制，保证在显微视场内每一测量点被激光扫过时，所产生的拉曼信号都准确的被APD探测器快速响应读取并将光信号转换为电信号输出，最终完成整个目标视场的快速拉曼信号采集。最后通过信号提取算法，扣除第一APD探测器16读取的拉曼生物背景信号和背景噪音信号，得到目标视场范围内不同代谢活性细胞的空间分布。图4中，左侧为传统方案中采用CCD与自动平移台配合的传统拉曼系统的成像结果，右侧为采用本实施例的APD探测器与扫描振镜，并配合如上的降噪算法(信号提取算法)的拉曼系统的成像结果，标号1为低代谢活性细胞，其余为高代谢活性细胞(氘元素D含量高)。
目前的光栅结合CCD阵列探测器的传统拉曼系统，受限于光栅衍射低效率、CCD的低检测灵敏度以及自动平移台的低工作效率，扫描C-D信号大约需要2s/pixel，而本发明中，高速扫描振镜结合高灵敏度APD探测器，以及后期的信号降噪算法，可将C-D信号扫描读取速度提升至0.2ms/pixel，相比目前拉曼系统将检测成像速度提升10000倍，如图4。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (2)

1.一种拉曼单窗口快速成像系统，其特征在于，包括：激光器、激光窄带滤光片、激光功率衰减模块、第一透镜、显微物镜、扫描振镜模块、边带滤光片、共聚焦针孔、低通滤光片、第一带通滤光片、第一APD探测器、第二带通滤光片以及第二APD探测器；
所述激光器发出的激光经过所述激光窄带滤光片、激光功率衰减模块后到达所述边带滤光片，然后被反射至所述扫描振镜模块形成扫描激光，扫描激光经所述第一透镜准直后由所述显微物镜聚焦至样品上；
样品产生的拉曼散射光和瑞利散射光被所述显微物镜收集，再经所述第一透镜、扫描振镜模块后回到所述边带滤光片；
其中的拉曼散射光透过所述边带滤光片后再经所述共聚焦针孔到达所述低通滤光片，其中部分拉曼散射光被所述低通滤光片反射，然后经过所述第一带通滤光片，到达所述第一APD探测器；另外一部分拉曼散射光透过所述低通滤光片后再经过所述第二带通滤光片，到达所述第二APD探测器，；
其中的瑞利散射光一部分被所述边带滤光片阻挡，剩余部分透过所述边带滤光片后随拉曼散射光一起到达所述第一带通滤光片、第二带通滤光片后被阻挡；
该拉曼单窗口快速成像系统的成像方法包括以下步骤：
1)在样品检测开始之前，所述第一APD探测器和第二APD探测器先读取空白区域的背景噪音信号，分别记为S1、S2；
2)检测样品，所述第一APD探测器和第二APD探测器进行多次采样，读取样品被光源激发后的拉曼信号，分别记为SL1n、SL2n；
3)对于上述SL1n、SL2n分别按照以下公式(1)进行降噪处理，得到降噪后的拉曼信号SL1x、SL2x：
Figure FDA0004118768380000011
其中，n为采样个数，i和j为循环计数，Ii、Ij表示原始拉曼信号，即每次采样的SL1n或SL2n的原始值，Ix为降噪处理后的拉曼信号；
4)通过以下公式(2)计算得到扣背景的拉曼信号SR1、SR2，其中，SR1为拉曼目标信号和拉曼生物背景信号之和，SR2为拉曼生物背景信号；
SR1＝SL1x-S1，
SR2＝SL2x-S2； (2)；
5)通过以下公式(3)获得扣除拉曼生物背景信号的纯净的拉曼目标信号St，作为最终的结果输出；
St＝SR1-SR2 (3)；
该拉曼单窗口快速成像系统还包括沿光路依次设置在所述激光功率衰减模块和边带滤光片之间的第一反射镜、第二透镜、第二反射镜，所述激光功率衰减模块出射的激光经所述第一反射镜反射后再经过所述第二透镜，然后由所述第二反射镜反射至所述边带滤光片。
2.根据权利要求1所述的拉曼单窗口快速成像系统，其特征在于，所述激光功率衰减模块具有若干不同衰减等级的中性滤光片，用于将入射激光衰减为多种能量等级的激光输出。
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